JP2019059251A

JP2019059251A - 車両用プロペラシャフト

Info

Publication number: JP2019059251A
Application number: JP2017183054A
Authority: JP
Inventors: 竜哉礒野; Tatsuya Isono; 敦郎三日月; Atsuo Mikazuki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-04-18
Also published as: DE102018215959A1; US20190092164A1; CN109538621A

Abstract

【課題】車両用プロペラシャフトにおいて、軸方向圧縮耐力を減少するために外径の異なる段付き部を設けた構造が知られている。軸方向圧縮耐力を一層減少するために、部材の厚みを減少させると、車両用プロペラシャフトの許容される回転トルクも減少する。このため軸方向圧縮耐力が減少可能であり、且つ、許容される回転トルクが低下しないプロペラシャフトを提供する。【解決手段】車両用プロペラシャフト２２の軸心ＣＬに対して所定の角度θ１を有する部分に第１溶接部５０ａを形成する。溶接によってその近傍の強度が低下するとともに、車両用プロペラシャフト２２に圧縮荷重Ｆｃが加わった場合に、軸心ＣＬに対して斜めである第１溶接部５０ａ近傍に径方向に曲げる力が生じるため、軸方向耐力が低下するが、許容される回転トルクは変化せずに維持される。【選択図】図３

Description

本発明は、車両用プロペラシャフトに関し、特に、車両の長手方向に設置され車両の駆動力源から後部車輪側に動力を伝える車両用プロペラシャフトの衝突時における衝突エネルギーを減少する技術に関するものである。

車両用プロペラシャフトの一部に外径の異なる段付き部を形成し、前記段付き部を車両の衝突時に衝撃で座屈すなわち衝突方向に変形するように設計することで、車両の衝突時の衝突エネルギーを吸収する技術が知られている。例えば、特許文献１の車両用プロペラシャフトがそれである。特許文献１の車両用プロペラシャフトでは、車両の衝突時に車両の前方から衝突エネルギーを受けた場合に車両の進行方向、すなわちプロペラシャフトの軸方向にプロペラシャフトの段付き部が座屈変形する構造を備えており、この衝突によって生じるエネルギーを吸収する構造によって衝突時に生じる衝撃力の緩和を図っている。

特開２００２−７９８４０号公報

車両用プロペラシャフトにおいては、車両の衝突時に衝突方向に変形を開始するエネルギーを減少し、より軽度の衝突においても車両用プロペラシャフトの変形が開始する、すなわち軸方向圧縮耐力を低く設定できることが望ましい。車両用プロペラシャフトを形成する材料の厚みを減少することによって、軸方向圧縮耐力を低く設定することは可能だが、車両用プロペラシャフトが伝達することのできるトルク容量、すなわち車両を駆動するために許容される駆動トルクも同時に減少することとなる。このため、車両用プロペラシャフトの軸方向圧縮耐力の低減と、車両用プロペラシャフトの回転によって伝達することとのできるトルク容量の維持とを両立することが難しかった。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、車両の衝突時に車両用プロペラシャフトの軸方向圧縮耐力を低く設定することが可能であるとともに、車両用プロペラシャフトが伝達することとのできる回転方向のトルク容量を維持することが可能な車両用プロペラシャフトを提供することにある。

第１発明の要旨とするところは、（ａ）駆動力源から出力された回転力を駆動輪へ伝達するための車両用プロペラシャフトであって、（ｂ）端部に向かって直径が縮小する縮径部を一端に持つ大径管部と、端部に向かって直径が拡大する拡径部を一端に持つ小径管部と、前記縮径部の端部と前記拡径部の端部とを溶接によって接合する溶接部と、を備えることを特徴とする。

第２の発明の要旨とするところは、第１発明の車両用プロペラシャフトにおいて、前記小径管部は、前記大径管部よりも厚肉であることを特徴とする。

第３の発明の要旨とするところは、第１発明または第２発明の車両用プロペラシャフトにおいて、前記大径管部は、前記縮径部の反対側の端部に直径が一定の直管部を備え、前記直管部は、他の管状部材の端部と溶接によって接合されていることを特徴とする。

第４の発明の要旨とするところは、第１発明または第２発明の車両用プロペラシャフトにおいて、前記小径管部は、内周面の一部に軸方向の相対移動可能且つ軸まわりに相対回転不能にスプライン嵌合するための雌スプラインが形成されていることを特徴とする。

第５の発明の要旨とするところは、第１発明または第２発明の車両用プロペラシャフトにおいて、前記縮径部と前記拡径部との車両用プロペラシャフトの回転軸方向における端面は、車両用プロペラシャフトの回転軸の垂直面に対して所定の角度傾いていることを特徴とする。

第１発明によれば、駆動力源から出力された回転力を駆動輪へ伝達するための車両用プロペラシャフトであって、端部に向かって直径が縮小する縮径部を一端に持つ大径管部と、端部に向かって直径が拡大する拡径部を一端に持つ小径管部と、前記縮径部の端部と前記拡径部の端部とを溶接によって接合する溶接部と、を備える。これによって、従来の構造すなわち溶接部が大径管部もしくは小径管部の直管部分に設けられた場合に、衝突時に圧縮荷重のみが溶接部に加えられるのに対し、前記大径管部の前記縮径部および前記小径部の前記拡径部の端部に前記溶接部が設けられた場合は、圧縮荷重とともに曲げ加重が前記溶接部に加えられることとなる。溶接部近傍は、他の部分と比べて耐力の弱い部分であり、曲げ加重が加わることによって座屈および破断しやすく、車両の衝突時に車両用プロペラシャフトが軸方向に変形を開始する軸方向圧縮耐力を減少することが可能となる。また、車両用プロペラシャフトが伝達することとのできる回転方向のトルク容量は維持することが可能となる。

第２発明によれば、前記小径管部は、前記大径管部よりも厚肉である。これによって、前記小径管部の前記拡径部の剛性が前記大径管部の前記縮径部の剛性より大きくなり、車両用プロペラシャフトの軸方向への変形が生じた場合、前記小径管部が前記大径管部の内部に入り込む座屈が生じ易くなる。これによって、軸方向を外れた変形による、他の車両部品への影響を抑制することが可能となる。

第３発明によれば、前記大径管部は、前記縮径部の反対側の端部に直径が一定の直管部を備え、前記直管部は、他の管状部材の端部と溶接によって接合されている。これによって、前記直管部と溶接される他の管状部材との溶接は、従来の構造と同一とすることが可能となり、従来から使用している前記他の管状部材をそのまま使用することが可能となる。

第４発明によれば、前記小径管部は、内周面の一部に軸方向の相対移動可能且つ軸まわりに相対回転不能にスプライン嵌合するための雌スプラインが形成されている。これによって、車両の衝突時に車両用プロペラシャフトは、前記溶接部近傍が破断した後においても、前記小径管部の内部に組み込まれる雄スプラインが形成された部材が軸方向に移動することが可能となり、衝突時の衝撃を吸収し易くなる。

第５発明によれば、前記縮径部と前記拡径部との車両用プロペラシャフトの回転軸方向における端面は、車両用プロペラシャフトの回転軸の垂直面に対して所定の角度傾いている。これによって、前記縮径部と前記拡径部との径方向の相互の移動が規制され、溶接する際の軸出しが容易となる。

本発明が適用される車両の概略構成を説明する図であるとともに、車両におけるプロペラシャフトの概略位置を説明する図である。図１の車両に設けられたプロペラシャフトの一例を説明する図である。図２のプロペラシャフトに用いられる、縮径部と拡径部との溶接部の一例を示した断面図と正面図である。図２のプロペラシャフトに用いられる、縮径部と拡径部との断面にプロペラシャフトの回転軸に対し所定の角度を設けた例を示す断面図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明が適用されたハイブリッド車両１０の駆動系列を説明する概略図である。図１において、車両１０は、ＦＲ（フロントエンジン・リアドライブ）式のものであり、走行用の駆動力源としてのガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関であるエンジン１２と、電動モータおよび発電機として機能するモータジェネレータ１４とを駆動力源として備えている。それらのエンジン１２およびモータジェネレータ１４の出力すなわち回転力は、流体式動力伝達装置であるトルクコンバータ１６から自動変速機１８に伝達され、さらにプロペラシャフト２２を介して作動歯車装置２４に伝達され、車軸２６が回転することによって左右の駆動輪２８が駆動される。

図２は、本発明が適用された車両用プロペラシャフト２２を説明する図であり、図２の右上部分が車両用プロペラシャフト２２の断面図を示し、それ以外は、外形を示した正面図である。プロペラシャフト２２は、プロペラシャフト前部４３とプロペラシャフト後部３５とから構成され、プロペラシャフト前部４３は、第１ユニバーサル継ぎ手３０ａによって自動変速部１８の図示されていない出力軸と接続され、プロペラシャフト後部３５は、第２ユニバーサル継ぎ手３０ｂによって作動歯車装置２４の図示されていない入力軸と接続されている。

第１ユニバーサル継ぎ手３０ａは、スプライン軸部４２と溶接によって接合されプロペラシャフト前部４３の一部を構成する第１ヨーク４４ａと自動変速機１８の出力軸に接合されているヨーク６０ａとこれらを回転自在に接続する十字軸６２ａとから構成されている。また第２ユニバーサル継ぎ手３０ｂは、プロペラシャフト後部３６の一部を構成するヨーク４４ｂと作動歯車装置２４の入力軸に接合されているヨーク６０ｂとこれらを回転自在に接続する十字軸６２ｂとから構成されている。第１ユニバーサル継ぎ手３０ａと第２ユニバーサル継ぎ手３０ｂとは、駆動輪２８が路面状態によって上下した場合、すなわちプロペラシャフト２２の傾斜が生じた場合においても自動変速機１８からプロペラシャフト２２に入力した回転を作動歯車装置２４に伝えることを可能とする。また駆動輪２８に上下への動きが生じ、第１ユニバーサル継ぎ手３０ａの図示されていない入力軸とプロペラシャフト２２とに角度変化が生じることで第１ユニバーサル継ぎ手３０ａの回転速度に変化が生じる場合においても、第２ユニバーサル継ぎ手３０ｂの図示されていない出力軸とプロペラシャフト２２とにこれと相反する角度変化が生じることによって第１ユニバーサル継ぎ手３０ａの回転速度の変化を相殺することが可能となる。

プロペラシャフト前部４３は、内周面の一部のスプライン嵌合部５２に図示されていないスプライン歯を内周面に持つ小径管部３８、外周面の一部に図示されていないスプライン歯を持つスプライン軸部４２、第１ヨーク４４ａ、およびスプライン嵌合部５２に外部から異物が進入するのを妨げるため備えられたカバー部材５４とから構成されている。カバー部材５４の内周と小径管部３８の外周との隙間は狭く設定されており、これによってスプライン嵌合部５２への異物の進入が妨げられている。小径管部３８とスプライン軸部４２とは、スプライン嵌合部５２においてプロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬの軸方向に相対移動可能かつ回転中心軸ＣＬ周りに相対回転不能に連結されている。すなわち、小径管部３８の内周面の一部にはスプライン嵌合するための雌スプラインが形成されており、スプライン軸部４２の外周面の一部にはスプライン嵌合するための雄スプラインが形成され回転中心軸ＣＬの軸方向に相対移動が可能とされている。小径管部３８は拡径部４０を含め大径管部３２側に内径が大きくなるように構成されており、車両１０の衝突によってプロペラシャフト２２に圧縮力が加わり、溶接部５０ａ近傍で座屈が開始され破断した後にスプライン軸部４２が小径管部３８の内側に入り込み回転軸心ＣＬの軸方向に移動する構造となっており、衝突時の衝撃を吸収し易くなっている。また、小径管部３８の内周にはめ込まれた蓋５６ａは、円筒状のスプライン軸部４２の内部に封入されたグリースの第１ユニバーサル継ぎ手側への流出を防いでおり、同様に小径管部３８の内周にはめ込まれた蓋５６ｂは、小径管部３８の内部に封入されたグリースの大径管部３２側への流出を防いでいる。

スプライン軸部４２は、第１ユニバーサル継ぎ手３０ａの一部を構成するヨーク４４ａと溶接によって一体的に固接されている。また、小径管部３８とプ大径管部３２とは第１溶接部５０ａによって一体的に固接され、プロペラシャフト後部３５を形成する第２ヨーク４４ｂと大径管部３２より小さい直径を持つ直管部３６とは溶接によって形成された第２溶接部５０ｂによって一体的に固接されている。なお、これらの溶接は、例えば摩擦圧接、ＭＩＧ（メタル・インアート・ガス）溶接、およびアーク溶接等の溶接方法が部材の材質および加工精度への要求に基づいて選択される。

図３は、図２のＡ部を拡大して示した図であり、上半分に断面図と下半分に正面図とが示されている。Ａ部には、小径管部３８の端部に向かって直径が拡大している拡径部４０および小径管部３８の直管部分の一部と、大径管部３２の端部に向かって縮小している縮径部３４および大径管部３２の直管部分の一部とが示されている。拡径部４０は、プロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬに対して所定の角度θ１の傾きをもっている。また、拡径部４０と縮径部３４との境界には溶接によって接合された外周側に盛り上がりを持つ第１溶接部５０ａが示されている。一般的に、溶接によって接合された場合、溶接箇所である第１溶接部５０ａの近傍が材料の溶接時の熱による変質によって強度低下を示し、溶接箇所の近傍が他の箇所と比較して強度が低下する傾向を持っている。小径管部３８の拡径部４０および拡径部４０近傍の直管部分は同一の厚みｔａを持っている。また、図２に示されるように、スプライン軸部４２とスプライン嵌合する部分の小径管部３８の厚みは、スプライン嵌合において十分な強度を保持するために拡径部４０の厚みｔａより厚く形成されている。大径管部３２の縮径部３４およびその他の部分は、同一の厚みｔｂを持っており、縮径部３２は、プロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬに対して所定の角度θ１の傾きをもっている。この角度θ１は、拡径部４０と略同一である。大径管部３２は、プロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬの軸方向の長さにおいてプロペラシャフト２２の大きな部分を占めることから、たとえばその重量を軽減して車両１０の燃費を低減するために薄い厚みｔｂが選択される。また、必要に応じて部分的に厚みｔｂを増加することも可能である。

図１に示される、圧縮荷重Ｆｃを車両１０の衝突時に受けた場合、プロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬ方向の軸方向圧縮耐力が最も小さい部分において座屈変形が開始され、衝突時のショックの吸収が行われる。前述のように、溶接箇所の近傍が他の箇所と比較して強度が低下する傾向を持っており、プロペラシャフト２２内の厚みが同一であれば、溶接箇所の近傍において座屈変形が開始されることとなる。また、図３に示されるように、プロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬと所定の角度θ１を有する部分、すなわち拡径部４０と縮径部３４との接合部分である第１溶接部５０ａにおいて溶接を行った場合は、直管部分に溶接部分を形成した際に、溶接部に回転中心軸ＣＬの軸方向の圧縮力しか加わらないのに比較して、回転中心軸ＣＬの軸方向の圧縮力に加えて周方向への曲げ加重が生じ、プロペラシャフト２２へのより小さな圧縮荷重Ｆｃによって座屈が開始される。また、プロペラシャフト２２の、回転方向における許容される回転トルクＴｒ、すなわちトルク容量は、回転中心軸ＣＬからの距離、プロペラシャフト２２の厚み、および溶接による強度低下等の影響を受け、回転中心軸ＣＬと拡径部４０および縮径部３４とのなす角度θ１には影響を受けない。すなわちプロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬと所定の角度θ１を有する部分に第１溶接部５０ａを持つことによってトルク容量が減少することはない。

図３において、拡径部４０と拡径部４０に隣接する小径管部３８の厚みｔａは、大径管部３２の板厚ｔｂより厚く設定されている。これにより第１溶接部５０ａの近傍における小径管部３８の拡径部４０の剛性は、大径管部３２の縮径部３４の剛性より大きくなり、プロペラシャフト２２に圧縮荷重Ｆｃが加わり第１溶接部５０ａ近傍に座屈が生じた場合に、拡径部４０の剛性が高いことによって、小径管部３８の形状変化が生じる前に大径管部３２の縮径部３４に座屈が生じ、小径管部３８は大径管部３２側に移動し大径管部３２の内側に入り込むこととなる。

図２の小径管部３８とスプライン軸部４２との断面図に示されるように、小径管部の内径は、雄スプラインが形成されているスプライン軸部４２の外径より大きく設定されている。また、小径管部３８の内側にも雌スプラインが形成され、プロペラシャフト２２の圧縮変形の増加にしたがってスプライン軸部４２が、大径管部３２の内側に移動することが可能となっている。このプロペラシャフト２２の小径管部３８が大径管部３２の内側に入り込む動きは、スライドと呼ばれる。

本実施例の車両用プロペラシャフト２２によれば、駆動力源であるエンジン１２およびモータジェネレータ１４から出力された回転力を駆動輪２８へ伝達するためのプロペラシャフト２２であって、端部に向かって直径が縮小する縮径部３４を一端に持つ大径管部３２と、端部に向かって直径が拡大する拡径部４０を一端に持つ小径管部３８と、縮径部３４の端部と拡径部４０の端部とを溶接によって接合する第１溶接部５０ａと、を備える。これによって、第１溶接部５０ａが大径管部３２もしくは小径管部３８の直管部分に設けられた場合に、衝突時に圧縮荷重のみが第１溶接部５０ａに加えられるのに対して、大径管部３２の縮径部３４および小径管部３８の拡径部４０の端部に第１溶接部５０ａが設けられた場合に、圧縮荷重とともに曲げ加重が第１溶接部５０ａに加えられることとなる。溶接部近傍は、他の部分と比べて耐力の弱い部分であり、曲げ加重が加わることによって座屈および破断しやすく、車両の衝突時にプロペラシャフト２２が軸方向に変形を開始する軸方向圧縮耐力を減少することが可能となる。また、プロペラシャフトが伝達することとのできる回転方向のトルク容量は減少することなく維持することが可能となる。

また、本実施例の車両用プロペラシャフト２２によれば、小径管部３８は、大径管部３２よりも厚肉である。これによって、小径管部３８の拡径部４０の剛性が大径管部３２の縮径部３４の剛性より大きくなり、プロペラシャフト２２の軸方向への変形が生じた場合、小径管部３８が大径管部３２の内部に入り込む座屈が生じ易くなる。これによって、軸方向を外れた変形による、他の車両部品への影響を抑制することが可能となる。

さらに、本実施例の車両用プロペラシャフト２２によれば、大径管部３２は、縮径部３４の反対側の端部に直径が一定の直管部３６を備え、直管部３６は、他の管状部材の端部と溶接によって接合されている。これによって、直管部３６と溶接される他の管状部材との溶接は、従来の構造と同一とすることが可能となり、従来から使用している他の管状部材をそのまま使用することが可能となる。なお前述の実施例においては、直間部３６を大径管部３２より小径としたが、特にこれに限らず、直間部３６を大径管部３６より大径としても同様の効果が期待できる。

また、本実施例の車両用プロペラシャフト２２によれば、小径管部３８は、内周面の一部にプロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬ方向の相対移動可能且つ軸まわりに相対回転不能にスプライン嵌合するための雌スプラインが形成されている。これによって、車両の衝突時にプロペラシャフト２２の第１溶接部５０ａの近傍が破断した後においても、小径管部の内部に組み込まれる雄スプラインが形成された部材が軸方向に移動することが可能となり、衝突時の衝撃を吸収し易くなる。

つぎに、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において前述の実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図４は、他の一例である拡径部４０および小径管部３８の直管部分の一部と、大径管部３２の端部に向かって縮小している縮径部３４および大径管部３２の直管部分の一部との溶接前の断面図が示されている。拡径部４０の溶接側の断面は、プロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬ方向と垂直ではなく、垂直面から所定の角度θ２傾いた面を持っている。また、縮径部４０溶接側の断面も同様に、プロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬ方向と垂直ではなく、垂直面から所定の角度θ２傾いた面を持っている。

本実施例によれば、縮径部３４と拡径部４０とのプロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬ方向における端面は、プロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬの垂直面に対して所定の角度θ２傾いている。これによって、縮径部３４と拡径部４０との径方向の相互の移動が規制され、溶接する際の軸出しが容易となる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適応される。

前述の実施例１および２において、駆動力源としてエンジン１２とモータジェネレータ１４とを持つハイブリッド車両としたが、特にハイブリッド車両に限らず、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、モータジェネレータ１４等のいずれかを単独の駆動力源とするＦＲ車両であり駆動力源の回転力がプロペラシャフト２２によって駆動輪２８に伝達される車両１０であれば本発明を適用することができる。

また、前述の実施例においては、トルクコンバータ１６と自動変速機１６とが用いられていたが、トルクコンバータ１６を使用しないことも可能である。また自動変速機１８は、有段の自動変速機、および一対の可変プーリの間に巻き掛けられた伝動ベルトを有するベルト式無段変速機等の何れが用いられても良い。

また、前述の実施例においては、第２溶接部５０ｂを第２ヨーク４４ｂと大径管部３２の直管部３６との接合部としたが、これ以外の直管の部分、たとえば大径管部３２の直管部分に形成してもよい。すなわち、同一の厚みｔｂを持つ直管部分に形成された溶接部は、プロペラシャフト２２の回転中心軸ＣＬに対し所定の角度θ１をなす第１溶接部より高い軸方向圧縮耐力を持つ。また、プロペラシャフト２２は外径が均一な円筒形状である必要はなく、６角形等必要に応じて形状を変更されるものであっても良い。

なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

１２：エンジン（駆動力源）
１４：モータジェネレータ（駆動力源）
２２：車両用プロペラシャフト
２８：駆動輪
３２：大径管部
３４：縮管部
３６：直管部
３８：小径管部
４０：拡径部
５０ａ：第１溶接部（溶接部）
θ２：所定の角度

Claims

駆動力源から出力された回転力を駆動輪へ伝達するための車両用プロペラシャフトであって、
端部に向かって直径が縮小する縮径部を一端に持つ大径管部と、
端部に向かって直径が拡大する拡径部を一端に持つ小径管部と、
前記縮径部の端部と前記拡径部の端部とを溶接によって接合する溶接部と、を備える
ことを特徴とする車両用プロペラシャフト。
前記小径管部は、前記大径管部よりも厚肉である
ことを特徴とする請求項１の車両用プロペラシャフト。
前記大径管部は、前記縮径部の反対側の端部に直径が一定の直管部を備え、前記直管部は、他の管状部材の端部と溶接によって接合されている
ことを特徴とする請求項１または２の車両用プロペラシャフト。
前記小径管部は、内周面の一部に軸方向の相対移動可能且つ軸まわりに相対回転不能にスプライン嵌合するための雌スプラインが形成されている
ことを特徴とする請求項１または２の車両用プロペラシャフト。
前記縮径部と前記拡径部との車両用プロペラシャフトの回転軸方向における端面は、車両用プロペラシャフトの回転軸の垂直面に対して所定の角度傾いている
ことを特徴とする請求項１または２の車両用プロペラシャフト。